不同錐角藥型罩的金屬射流性能仿真分析
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王立蒙，張國偉
（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）
摘要：以深侵徹彈為目標(biāo)，對藥型罩錐角這一影響金屬射流性能的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。在分析國內(nèi)外有關(guān)聚能裝藥的基礎(chǔ)上，利用ANSYS／LS-DYNA有限元分析軟件進(jìn)行仿真計算，模擬結(jié)果表明，在靶板速度一定的條件下，錐角為110。的圓錐形藥型罩形成的射流對運(yùn)動體的侵徹效果最好。
關(guān)鍵詞：錐角；金屬射流；藥型罩；仿真 中圖分類號：TP391.9
0引言
聚能裝藥在發(fā)生爆炸后形成高速的金屬射流，其頭部速度可達(dá)到6 km/s～8 km/s，尾部速度大約為2km／s，射流金屬約占金屬罩總質(zhì)量的6%～11%。圓錐藥型罩錐角的大小對所形成射流的各項參數(shù)、破甲效果以及后效作用有很大的影響。當(dāng)藥型罩錐角過小時，雖然可以形成很高速度的射流、增加破甲深度，但同時其侵徹孔直徑較小、后效作用較低，特別是其侵徹的穩(wěn)定性較差；當(dāng)藥型罩錐角過大時，雖然其射流速度有所降低、破甲深度有所下降，但其侵徹孔直徑有所增大、后效作用較好，特別是具有較好的穩(wěn)定性。本文通過實驗仿真來找出最佳的圓錐藥型罩錐角。
1 金屬射流形成的過程
金屬射流的形成過程如圖1所示。金屬罩在炸藥所產(chǎn)生的爆炸波的作用下，高速向中心擠壓，并在軸線上發(fā)生碰撞，隨著動能進(jìn)一步提高，錐形藥型罩材料在中心線上壓合使一部分的藥型罩?jǐn)D出，從而形成高速的金屬射流。
圓錐角藥型罩所形成的聚能射流按照射流與杵體隨錐角大小的變化特點可分為三類：①當(dāng)藥型罩錐角在300～900之間時，稱為小錐角金屬聚能流；②當(dāng)藥型罩錐角在900～1200之間時，稱為中錐角金屬聚能流；③當(dāng)藥型罩錐角大于1200時稱為大錐角金屬聚能流。隨著藥型罩錐角的變化，所產(chǎn)生的金屬聚能流的外形和物理參數(shù)也發(fā)生變化。
2材料模型及參數(shù)的確定
在仿真計算中，主要建立藥型罩、主裝藥、殼體、空氣和目標(biāo)靶板5種材料的破甲戰(zhàn)斗部有限元模型，調(diào)整適宜的網(wǎng)格密度，設(shè)置恰當(dāng)?shù)倪吔缂s束（空氣域無反射邊界約束），使用正確的算法（ALE算法），確保計算結(jié)果準(zhǔn)確。求解計算時的單位為cm-g- μs-Mbar。
在數(shù)值計算過程中，材料模型以及材料各參數(shù)的選取直接影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，一些重要參數(shù)值必須通過試驗確定。本文所使用的5種材料都是數(shù)值仿真中經(jīng)常用到的，各材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)與實際情況相符。
2.1 炸藥的確定
炸藥的爆轟壓力是主要影響因素，欲取得較大的爆壓，應(yīng)盡可能增大裝藥的密度和爆速，因此裝藥時應(yīng)采用高爆速炸藥和增大裝填密度。
綜合安全、成本、制作工藝等因素，選取一種最為常見的炸藥即B炸藥，材料模型為HIGH—EXPLO-SIVE _BURN，狀態(tài)方程為JWL，其壓力表達(dá)式為：
2.2 炸藥的確定
炸高是指破甲彈在起爆瞬間藥型罩底端口部到裝甲表面的距離，通常選擇有利炸高的上限，這樣既能保證破甲深度，又可減輕彈重。本文的藥型罩材料為銅，3倍的罩底直徑為最佳炸高，所以本文選擇的炸高為3倍的罩底直徑。
2.3 藥型罩參數(shù)的確定
藥型罩是形成金屬射流的關(guān)鍵部位，是整個戰(zhàn)斗部的“執(zhí)行部件”，藥型罩參數(shù)從根本上會影響金屬射流的侵徹能力。
本文數(shù)值仿真中選用的藥型罩材料為紫銅，材料模型為JOHNSON一COOK，狀態(tài)方程為GRUNEISEN。
本文選擇中錐角的藥型罩戰(zhàn)斗部，即其錐角范圍為900～1200，這種藥型罩形成的射流既有小錐角射流的高速特性，又有大錐角射流的高穩(wěn)定性特性，同時可以滿足抵御靶板速度對其的剪切干擾和侵徹大壁厚的要求。藥型罩的錐角變化對金屬射流侵徹能力的影響是本文的研究重點，本文將分別對藥型罩錐角為900、1000、1100、1200四種情況進(jìn)行模擬仿真。
除此之外，本文選用普通鋼為殼體材料，材料模型為JOHNSON—COOK，狀態(tài)方程為GRUNEISEN。選取空氣作為戰(zhàn)斗部作用的介質(zhì)，材料模型為NULL，狀態(tài)方程為LINEAR_POLYNOMIAL。
3仿真模型的建立及計算方案
3.1 有限元模型的建立
為達(dá)到毀傷目標(biāo)的目的，本文將目標(biāo)選擇為彈體的圓柱部，聚能射流侵徹直徑相對其彈體較小。同時若建立整個彈體模型，則數(shù)值計算量非常大，浪費(fèi)不必要的人力和物力，因此將鉆地彈彈體的圓柱部簡化為100 mm的平面厚靶板，取其一段以縮小數(shù)值計算量，并建立等效模型。另外為了能貼合實際，更加真實地模擬在實戰(zhàn)中戰(zhàn)斗部攻擊攔截鉆地彈的情況，結(jié)合真實彈目交匯條件，本文在以前簡化模型的基礎(chǔ)上，賦予靶板一定初速和傾角。
圖2為破甲戰(zhàn)斗部幾何模型，采用90 mm口徑，錐角分別為900、1000、1100、1200的破甲戰(zhàn)斗部。
圖3為戰(zhàn)斗部侵徹高速運(yùn)動靶板的結(jié)構(gòu)簡化模型�？紤]到戰(zhàn)斗部和目標(biāo)靶板結(jié)構(gòu)的軸對稱性，簡化模型為二分之一模型，主裝藥、藥型罩和空氣設(shè)置多物質(zhì)ALE算法，采用Euler網(wǎng)格建模；靶板和殼體采用Lagrange網(wǎng)格建模，并且各材料之間使用耦合算法。戰(zhàn)斗部侵徹高速運(yùn)動靶板的有限元模型如圖4所示。
3.2 數(shù)值計算方案
本文是在彈目夾角為450的情況下，研究藥型罩錐角分別為900、1000、1100、1200的破甲戰(zhàn)斗部對速度為400 m/s的靶板的斜侵徹情況，分析研究射流侵徹過程，并對比射流性能，尋找錐角對形成射流特性的具體影響，從而為設(shè)計出一種對運(yùn)動體侵徹效果較好的藥型罩結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。
4仿真結(jié)果分析
本文通過數(shù)值模擬對藥型罩錐角分別為900、1000、1100、1200四種情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，圖5～圖8為不同錐角的藥型罩形成金屬射流的過程。
從圖5～圖8可以看出，藥型罩錐角從900--1 200的戰(zhàn)斗部所形成的金屬射流總體都比較均勻，射流速度梯度比較適中，射流頭部直徑整體比較粗，抗干擾能力比較強(qiáng)，對大壁厚的運(yùn)動靶板具有很好的侵徹效果。當(dāng)藥型罩錐角從900逐步增到1200的過程中，射流速度下降，射流長度降低，射流的直徑增大。
圖9為不同錐角的藥型罩在t=68 μS時，金屬射流的速度形狀對比圖。從圖9可以看出，藥型罩錐角從900增加到1200的戰(zhàn)斗部所形成的金屬射流在t=68μs時，射流的速度越來越低，射流的直徑越來越大。
圖10為不同錐角的藥型罩形成的射流剛到達(dá)靶板時速度形狀對比圖。從圖10可以看出，藥型罩錐角逐步增大時，金屬射流在到達(dá)靶板時的速度越來越低，到達(dá)靶板的時間越來越晚。
表2為不同錐角的藥型罩所形成的金屬射流速度。從表2中可以明顯看出，當(dāng)藥型罩的錐角逐步增大時，金屬射流的頭部速度從5 557 m/s減小到4 802 m／s，減小趨勢比較明顯。金屬射流侵徹靶板主要是依靠金屬射流的頭部，在沒有徑向干擾的情況下，射流頭部速度越大，其侵徹效果也越好。但本文研究的重點是對運(yùn)動體的侵徹分析，靶板的運(yùn)動會嚴(yán)重干擾到射流的侵徹，即存在很大程度的徑向干擾，這就對射流的穩(wěn)定性提出了很高的要求，即要求射流不僅具有很高的速度，還要求有比較大的直徑。
5結(jié)論
藥型罩錐角900～1200的戰(zhàn)斗部所形成的金屬射流總體都比較均勻，射流速度梯度比較適中，射流頭部直徑整體比較大，抗干擾能力比較強(qiáng)，對大壁厚的運(yùn)動靶板具有很好的侵徹效果。當(dāng)藥型罩錐角從900逐步增到1200的過程中，射流速度下降，射流長度降低，射流的直徑增大，同時藥型罩錐角逐步增大時，金屬射流在到達(dá)靶板時的速度越來越低，到達(dá)靶板的時間越來越晚。
